Bjørnstjerne Bjørnson là con trai lớn của một mục sư người Na Uy. Năm Bjørnson 5 tuổi, gia đình rời Kvikne đến vùng Romsdal phong cảnh đẹp ở Tây Na Uy, nơi cậu bé vào học tại trường Modle. Bjørnson làm thơ, ra báo viết tay và quan tâm đến chính trị từ rất sớm. Năm 1849 ông đến Christiana (nay là Oslo). Tại đây ông đã gặp gỡ với nhà viết kịch vĩ đại Henrik Ibsen và các nhà văn tên tuổi khác của Na Uy. Năm 1852 vào trường Đại học Christiana, nhưng năm sau ông đã ngừng đến lớp mà dấn thân vào đời sống chính trị, sân khấu và văn học của thành phố, viết phê bình sân khấu, ra tạp chí Illustreret Folkebladet - trong đó các truyện cổ tích dân gian do ông ghi chép lại lần đầu tiên được đăng tải. Năm 1856 sang dự hội nghị sinh viên tại Thụy Điển, ông kinh ngạc trước những kỉ niệm về quá khứ, các trang phục dân tộc, vũ khí, bia mộ của các vị vua Thụy Điển và nảy ra ý tưởng trở về khôi phục lịch sử đất nước mình.

Tham gia vào chiến dịch vận động thành lập và trở thành giám đốc Nhà hát Quốc gia Na Uy ở Berrgen năm 1857, Bjørnstjerne Bjørnson giữ vai trò nhà hoạt động văn hóa hàng đầu của đất nước. Trở về Oslo năm 1859, ông ra tờ nhật báo buổi chiều Aftenbladet - cơ quan ngôn luận của Đảng Tân Tự do Na Uy. Từ năm 1865 đến năm 1867 ông làm giám đốc Nhà hát Christiana.

Trước năm 1873 ông chủ yếu làm thơ, viết kịch, bài hát, truyện vừa, truyện cổ tích về đề tài lịch sử. Cuối những năm 1860 sáng tác thơ của ông đạt đến thời kì rực rỡ nhất với các tập tiêu biểu Digte og Sange (Thơ và những khúc ca, 1870), Arnljot Gelline (1870). Thơ của ông được phổ nhạc nhiều, trong đó có bài Vâng, chúng ta yêu mảnh đất này (1859) về sau trở thành Quốc ca Na Uy. Kịch của ông đề cập đến những vấn đề thời sự xã hội, dàn dựng ở nhiều nước châu Âu và Mỹ. Tác phẩm bộ ba Sigurd hung bạo (1863) kể về kẻ tiếm ngôi bí mật thời Trung Cổ, được đánh giá là vở kịch xuất sắc nhất của ông. Ngoài ra ông còn viết một số tiểu thuyết theo phong cách hiện thực chủ nghĩa (Những lá cờ bay trên thành phố và bến cảng (1884), Trên con đường của Chúa (1889). Những năm 1873-1876 nhà văn sống tại Roma. Thời gian này ông chuyên viết phê bình xã hội, tích cực bảo vệ tính độc lập chính trị và văn hóa của Na Uy. Năm 1881 ông qua Mỹ, từ năm 1893 về sống tại một trang trại ở Na Uy và thường xuyên ra nước ngoài.

Năm 1903 Bjørnstjerne Bjørnson là nhà văn đầu tiên trong khối Bắc Âu được nhận giải Nobel Văn học vì những đóng góp trong các lĩnh vực thơ, văn xuôi và kịch. Năm 1910, sau khi vở kịch cuối cùng Bao giờ nho mới trổ hoa được ấn hành, Bjørnstjerne Bjørnson qua đời ở tuổi 77.